BUCKDC-DC電路的設(shè)計

1、電力電子課程設(shè)計設(shè)計題目：降壓斬波電路設(shè)計專業(yè)班級：電氣工程及其自動化本科1 班學(xué)號：200840220116姓名：指導(dǎo)教師：設(shè)計時間：2011/5/3 2011/5/13設(shè)計地點：K2 電力電子實驗室電 力 電 子 課程設(shè)計成績評定表姓名朱波學(xué)號200840220116課程設(shè)計題目：課程設(shè)計答辯或質(zhì)疑記錄：1、 電壓型逆變電路有什么特點？（ 1）直流側(cè)為電壓源或并聯(lián)大電容，直流側(cè)電壓基本無脈動 （ 2）輸出電壓為矩形波，輸出電流因負載阻抗不同而不同 （ 3）阻感負載時需提供無功。為了給交流側(cè)向直流側(cè)反饋的無功提供通道，逆 變橋各臂并聯(lián)反饋二極管2、在選擇IGBT 時應(yīng)注意什么？在選擇 IGB

2、T 模塊時，應(yīng)考慮器件耐壓電流2個參數(shù)確定。在器件耐壓電流參數(shù)確定時，首先根據(jù)IGBT 模塊工作在交流電網(wǎng)通過單相或三相整流后的直流母線電壓下，通常模塊工作電壓（600V、 1200V、 1700V 分為 3 個電壓等級）均對應(yīng)于常用電網(wǎng)電壓等級?？紤]到因過載、電壓波動、開關(guān)過程引起的電壓尖峰等因素，通常電力電子設(shè)備選擇IGBT 器件耐壓都是直流母線的1 倍。成績評定依據(jù)：課程設(shè)計考勤情況（20）：課程設(shè)計答辯情況（30）：完成設(shè)計任務(wù)及報告規(guī)范性（50） ：最終評定成績（以優(yōu)、良、中、及格、不及格評定）指導(dǎo)教師簽字：2011 年 5 月 20 日學(xué)生姓名：專業(yè)班級：電氣工程及其自動化指導(dǎo)教師

3、：工作部門：電氣學(xué)院電氣自動化教研室一、課程設(shè)計題目：降壓斬波電路設(shè)計二、課程設(shè)計內(nèi)容1. 根據(jù)具體設(shè)計課題的技術(shù)指標和給定條件，能獨立而正確地進行方案論證和電路設(shè)計，要求概念清楚、方案合理、方法正確、步驟完整；2. 學(xué)會查閱有關(guān)參考資料和手冊，并能正確選擇有關(guān)元器件和參數(shù)；3. 編寫設(shè)計說明書，參考畢業(yè)設(shè)計論文格式撰寫設(shè)計報告（5000 字以上） 。注：詳細要求和技術(shù)指標見附錄。1 時間安排序號內(nèi)容學(xué)時安排（天）1方案論證和系統(tǒng)設(shè)計12主電路設(shè)計13保護電路設(shè)計14驅(qū)動電路設(shè)計15設(shè)計答辯1合計5設(shè)計指導(dǎo)答辯地點：電力電子室2執(zhí)行要求電力電子課程設(shè)計共9個選題， 每組不得超過6人， 要求學(xué)生

4、在教師的指導(dǎo)下，獨力完成所設(shè)計的系統(tǒng)主電路、控制電路等詳細的設(shè)計（包括計算和器件選型）。嚴禁抄襲，嚴禁兩篇設(shè)計報告基本相同，甚至完全一樣。1）參考畢業(yè)設(shè)計論文要求的格式書寫，所有的內(nèi)容一律打?。?2）報告內(nèi)容包括設(shè)計過程、電路元件參數(shù)的計算、系統(tǒng)仿真結(jié)果及分析； 3）要有完整的主電路原理圖和控制電路原理圖； 4）列出主電路所用元器件的明細表。 5）參考文獻五、課程設(shè)計考核辦法與成績評定根據(jù)過程、報告、答辯等確定設(shè)計成績，成績分優(yōu)、良、中、及格、不及格五等。評定項目基本內(nèi)涵分值設(shè)計過程考勤、自行設(shè)計、按進度完成任務(wù)等情況20 分設(shè)計報告完成設(shè)計任務(wù)、報告規(guī)范性等情況50 分答辯回答問題情況30

5、分90 100分：優(yōu)；80 89 分：良；70 79 分：中；60 69 分，及格；60 分以下：不及格六、課程設(shè)計參考資料1 王兆安，黃俊. 電力電子技術(shù)（第四版）. 北京：機械工業(yè)出版社，20012 王文郁 . 電力電子技術(shù)應(yīng)用電路. 北京：機械工業(yè)出版社，20013 李宏 . 電力電子設(shè)備用器件與集成電路應(yīng)用指南. 北京：機械工業(yè)出版社，20014 石玉、 栗書賢、 王文郁 . 電力電子技術(shù)題例與電路設(shè)計指導(dǎo). 北京： 機械工業(yè)出版社，19995 趙同賀等. 新型開關(guān)電源典型電路設(shè)計與應(yīng)用. 北京：機械工業(yè)出版社，2010指導(dǎo)教師：南光群、黃松柏2011 年 10 月 8 日教研室主任簽

6、名：2011 年 10 月 9 日附錄：詳細要求和技術(shù)指標降壓斬波電路設(shè)計1 、輸入直流電壓：Ud=100V；2、輸出功率：150W；3、開關(guān)頻率：10kHz；4、占空比：0.1 0.9 ；5、電阻性負載；6、輸出電壓脈率：小于10%。1 、主電路參數(shù)的計算；2、全控型器件電流、電壓額定的選擇；3、電力二極管電流、電壓額定的選擇；4、電抗器電感值的計算；5、保護電路的設(shè)計；6、驅(qū)動電路的設(shè)計；7、畫出完整的主電路原理圖和控制電路原理圖；8、列出主電路所用元器件的明細表。5摘要直流-直流變流電路的功能是將直流電變?yōu)榱硪还潭妷夯蚩烧{(diào)電壓的直流電， 包括直接直流電變流電路和間接直流電變流電路。直接

7、直流電變流電路也稱斬波電路，它的功能是將直流電變?yōu)榱硪还潭妷夯蚩烧{(diào)電壓的直流電，一般是指直接將直流電變?yōu)榱硪恢绷麟姡@種情況下輸入與輸出之間不隔離。間接直流變流電路是在直流變流電路中增加了交流環(huán)節(jié)，在交流環(huán)節(jié)中通常采用變壓器實現(xiàn)輸入輸出間的隔離，因此也稱帶隔離的直流-直流變流電路或直-交 -直電路。直流斬波電路的種類有很多，包括六種基本斬波電路：降壓斬波電路，升壓斬波電路，升降壓斬波電路,Cuk 斬波電路，Sepic斬波電路和Zeta斬波電路，利用不同的斬波電路的組合可以構(gòu)成符合斬波電路，如電流可逆斬波電路，橋式可逆斬波電路等。利用相同結(jié)構(gòu)的基本斬波電路進行組合，可構(gòu)成多相多重斬波電路。關(guān)鍵

8、字：直流斬波，降壓斬波第 1 章 電路總體設(shè)計方案81.1 設(shè)計課題任務(wù)81.2 功能要求說明81.3 設(shè)計總體方案和設(shè)計原理8第 2 章電路的設(shè)計102.1 IGBT驅(qū)動電路的設(shè)計 10第 3 章電路各元件的參數(shù)設(shè)定及元件型號選擇123.1 各元件的參數(shù)設(shè)定123.2 元件型號選擇14第 4 章 系統(tǒng)仿真及結(jié)論94.1 仿真軟件的介紹104.2 仿真電路及其仿真結(jié)果104.3 仿真結(jié)果分析17第 5 章心得體會19參考文獻19致 謝20附錄 電子元器件表203第 1 章 電路總體設(shè)計方案1.1 設(shè)計課題任務(wù)設(shè)計一個直流降壓斬波電路。1.2 功能要求說明將 24V 直流電壓降壓輸出并且平均電壓

9、可調(diào)，范圍為0-24V。1.3 設(shè)計總體方案和設(shè)計原理降壓斬波電路的原理圖以及工作波形如圖1.1 所示。 該電路使用一個全控型器件V，圖中為IGBT。為在V關(guān)斷時給負載中電感電流提供通道，設(shè)置了續(xù)流二極管 VD。斬波電路主要用于電子電路的供電電源，也可拖動直流電動機或帶蓄電池負載等。圖 1.1 降壓斬波電路原理圖如圖 1.2中 V的柵極電壓uGE波形所示，在 t=0 時刻驅(qū)動V 導(dǎo)通， 電源 E 向負載供電，負載電壓uo=E，負載電流io按指數(shù)上升。當 t=t1 時刻，控制V 關(guān)斷，負載電流經(jīng)二極管VD 續(xù)流，負載電壓uo近似為零負載電流呈指數(shù)曲線下降。為了使負載電流連續(xù)且脈動小，通常是串聯(lián)的

10、電感 L 值較大。至一個周期T 結(jié)束，在驅(qū)動V 導(dǎo)通，重復(fù)上一周期的過程。當工作處于穩(wěn)態(tài)時，負載電流在一個周期的初值和終值相等，如圖1.2所示。負載電壓平均值為tontonUoE E Et on toff T式中，ton為V 處于通態(tài)的時間；toff為V處于斷態(tài)的時間；T 為開關(guān)周期；為導(dǎo)通占空比。由式 1.1 可知，輸出到負載的電壓平均值Uo最大為E，減小占空比， Uobuck 變換器。負載電流平均值為Uo Em1.2 降壓斬波電路的工作波形第 2 章 電路的設(shè)計2.1 IGBT 驅(qū)動電路的設(shè)計IGBT 的驅(qū)動是矩形波，所以我選擇了由比較器LM358 產(chǎn)生矩形波。圖 2.1 LM358 的引

11、腳圖LM358 簡介： LM358 內(nèi)部包括有兩個獨立的、高增益、內(nèi)部頻率補償?shù)碾p運算放大器， 適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式，在推薦的工作條件下，電源電流與電源電壓無關(guān)。它的使用范圍包括傳感放大器、直流增益模塊和其他所有可用單電源供電的使用運算放大器的場合。描述：運放類型:低功率放大器數(shù)目:2針腳數(shù) :8工作溫度范圍:0 C to -70 C封裝類型:SOIC-3dB 帶寬增益乘積:1.1MHz變化斜率:0.6V/s器件標號:358電源電壓最大 :32V電源電壓最小 :3V安裝器件:表面安裝圖 2.2 比較器產(chǎn)生方波電路圖其中 2、 3 口是輸入口4、6 接直流電

12、源電壓1 為輸出口。23第 3 章 電路各元件的參數(shù)設(shè)定及元件型號選擇3.1 各元件的參數(shù)設(shè)定1. IGBT 的參數(shù)設(shè)定3.1 IGBT 的簡化等效電路以及電氣圖形符號術(shù)語符號定義及說明（測定條件參改說明書）集電極、發(fā)射極間電壓VCES柵極、發(fā)射極間短路時的集電極，發(fā)射極間的最大電壓柵極發(fā)極間電壓VGES集電極、發(fā)射極間短路時的柵極，發(fā)射極間最大電壓集電極電流IC集電極所允許的最大直流電流耗散功率PC單個IGBT所允許的最大耗散功率結(jié)溫Tj元件連續(xù)工作時芯片溫廈關(guān)斷電流I CES柵極、發(fā)射極間短路，在集電極、發(fā)射極間加上指定的電壓時的集電極電流。表 3.1 IGBT 模塊的術(shù)語及其說明3.2

13、降壓斬波電路電路圖3.2所示此次設(shè)計的電源電壓為220V，當二極管VD 導(dǎo)通時 V的 C 和E 兩端承受的電壓為電源電壓，因此UCE=220V。圖 3.4 IGBT 的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性C，其值下降5mV 左右。UGE(th)隨溫度的升高略有下降，溫度每升高1在 +25 C 時，UGE(th)的值一般為2-6V。參考電力電子技術(shù)課本可得：Imin(eetT1/11) EREme1 E(e 1 m)R3.1Imax(11eetT1/ )EREmR1e E(1 em)R 式3.2式中，T / ； m Em / Et1 / t1 T 。T若取 R 為 10 ，則：max220/ R 22A2. 續(xù)流

14、二極管VD 的參數(shù)設(shè)定VD 所承受的最大反向電壓是當IGBT 導(dǎo)通是的電源電壓100V。 所承受 的最大電流是當IGBT 關(guān)斷瞬間電感L 作用在 VD 上的電流，此電流為I max 22A。3. 電感的參數(shù)設(shè)定由上面所選的電阻20歐姆，根據(jù)歐姆定律：RU0Io當Uo=80V時，Iomax=4A;當Uo=50V時，Iomin=2.5A;根據(jù)電感電流連續(xù)時電感量臨界值條件：L=Uo*( Ud-Uo) /(2UdIo)為了保證負載最小電流電路能夠連續(xù)，取Io=2.5A 來算，可得L=0.125mH，所以只要所取電感L0.125mH ，取L=1mH。4. 開關(guān)頻率f=40kHz5. 電容 設(shè)計要求輸出

15、電壓紋波小于1%，由紋波電壓公式：Uc Uo* (Ud Uo) /8LCf 2Ud可得 LC = 0.195 uH*F取 C=0.47mF3.2 元件型號選擇考慮其安全裕度則IGBT 的額定電壓可以為2-3倍峰值電壓，所以額定電壓可為440V -660V .額定電流33A-44A， 二極管 VD 與其類似，VD 的最大反向電壓為220V 。選擇 IGBT 的型號為IRG4PC40U 其額定電壓為600V ，額定電流為40 A。選擇續(xù)流二極管的型號為HFA25TB60 ，其而定電壓為600V ，額定電流為25A。第 4 章 系統(tǒng)仿真及結(jié)論4.1 仿真軟件的介紹此次仿真使用的是MATLAB 軟件。

16、Simulink 是 MATLAB 最重要的組件之一，它提供一個動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。在該環(huán)境中，無需大量書寫程序，而只需要通過簡單直觀的鼠標操作，就可構(gòu)造出復(fù)雜的系統(tǒng)。Simulink 具有適應(yīng)面廣、結(jié)構(gòu)和流程清晰及仿真精細、貼近實際、效率高、靈活等優(yōu)點，并基于以上優(yōu)點Simulink 已被廣泛應(yīng)用于控制理論和數(shù)字信號處理的復(fù)雜仿真和設(shè)計。同時有大量的第三方軟件和硬件可應(yīng)用于或被要求應(yīng)用于Simulink。Simulink 是 MATLAB 中的一種可視化仿真工具，是一種基于MATLAB 的框圖設(shè)計環(huán)境，是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個軟件包，被廣泛應(yīng)用于線性系統(tǒng)、非線

17、性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號處理的建模和仿真中。Simulink 可以用連續(xù)采樣時間、離散采樣時間或兩種混合的采樣時間進行建模，它也支持多速率系統(tǒng)，也就是系統(tǒng)中的不同部分具有不同的采樣速率。為了創(chuàng)建動態(tài)系統(tǒng)模型， Simulink 提供了一個建立模型方塊圖的圖形用戶接口(GUI) ， 這個創(chuàng)建過程只需單擊和拖動鼠標操作就能完成，它提供了一種更快捷、直接明了的方式，而且用戶可以立即看到系統(tǒng)的仿真結(jié)果。Simulink® 是用于動態(tài)系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)的多領(lǐng)域仿真和基于模型的設(shè)計工具。對各種時變系統(tǒng)，包括通訊、控制、信號處理、視頻處理和圖像處理系統(tǒng)， Simulink 提供了交互式圖形化環(huán)境和可

18、定制模塊庫來對其進行設(shè)計、仿真、執(zhí)行和測試。.構(gòu)架在 Simulink 基礎(chǔ)之上的其他產(chǎn)品擴展了Simulink 多領(lǐng)域建模功能，也提供了用于設(shè)計、執(zhí)行、 驗證和確認任務(wù)的相應(yīng)工具。Simulink 與 MATLAB®緊密集成，可以直接訪問MATLAB 大量的工具來進行算法研發(fā)、仿真的分析和可視化、批處理腳本的創(chuàng)建、建模環(huán)境的定制以及信號參數(shù)和測試數(shù)據(jù)的定義。4.2 仿真電路及其仿真結(jié)果1.仿真電路圖4.1 降壓斬波的MATLAB 電路的模型2MATLAB 的 .仿真結(jié)果如下：4.2=0.2 時的仿真結(jié)果4.3=0.4 時的仿真結(jié)果4.4=0.6 時的仿真結(jié)果4.5=0.8 時的仿真結(jié)

19、果圖 4.6=0.99 時的仿真結(jié)果4.3 仿真結(jié)果分析由公式 Uo ton Eton E E 可得：tontoff T0.2時，UO=44V=0.4時， UO=88V 。=0.6時，UO=132V 。=0.8時，UO=176V 。=0.99時，UO=217.8。上面的數(shù)據(jù)與理論值相同，由于使用的是仿真軟件所以沒有誤差。第 5 章 心得體會經(jīng)過近一個星期的努力我終于順利的完成了此次電力電子的課程設(shè)計，其中遇到了許多的問題和困難但是也學(xué)到了很多的知識。遇到的問題和困難：(1) 在計算元器件參數(shù)是缺少理論依據(jù)難以正確的計算相應(yīng)的參數(shù)。(2) 在選取元器件型號和參數(shù)時，缺少實際經(jīng)驗難以找到合適的元件。(3) 在用 MATLAB 軟件仿真是遇到了許多操作上的問題，致使仿真花費的很多時間才達到有效效果。雖然遇到了許多的困難但是我還是通過不斷的學(xué)習解決了這些難題。學(xué)到的知識：(1) 通過這次課程設(shè)計我夯實了電力電子的基礎(chǔ)知識。(2) 對直流斬波有了更深層次的理解。(3) 對 MATLAB 軟件和電路原理圖的設(shè)計有了初步了解。(4) 在面對學(xué)習上的困難時一定要堅持不懈的努力才能打敗困難，獲得更多以的知識。參考文獻1周克寧，電力電子